Точность обработки

Качество обработки деталей машин определяется двумя критериями: точностью обработки и шероховатостью обработанных поверхностей.

Под точностью обработки понимают степень соответствия изготовленной детали заданным размерам и форме. В большинстве случаев форма деталей определяется комбинацией известных геометрических тел: цилиндрических, конических, плоскостей и т. д. Можно установить следующие основные критерии соответствия детали заданным требованиям:

• точность формы, т. е. степень соответствия отдельных поверхностей детали тем геометрическим телам, с которыми они отождествляются;
• точность размеров поверхностей детали;
• точность взаимного расположения поверхностей

Отклонения формы и расположения поверхностей

Отклонение формы реальной поверхности от номинальной, т. е. заданной чертежом, оценивается наибольшим расстоянием D между точками реальной поверхности и номинальной, измеренным по нормали к последней. Отклонения формы и расположения поверхностей регламентируются ГОСТом. Наиболее часто встречающиеся из них:

Отклонения от плоскостности:

• Выпуклость — отклонение от прямолинейности, при котором удаление всех точек реального профиля от прилегающей прямой уменьшается от края к середине (рис. 1, а, в);
• Вогнутость — отклонение от прямолинейности, при котором удаление всех точек реального профиля от прилегающей прямой увеличивается от края к середине (рис. 1,б,г).

Отклонения от круглости:

• Овальность — отклонение от круглости при котором реальный профиль представляет собой овалообразную фигуру, наибольший и наименьший диаметры которой находятся во взаимно перпендикулярных направлениях (рис.1, д);
• Огранка — отклонение от круглости при котором реальный профиль представляет собой многогранную фигуру (рис.1,е).

Рисунок 1. Определение величины отклонения формы

Отклонения профиля продольного сечения — характеризуются непрямолинейностью и непараллельностью образующих:

• Конусообразность – отклонение профиля, при котором образующие прямолинейны, но не параллельны (рис. 2,а);
• Бочкообразность — отклонение профиля, при котором образующие непрямолинейны, а диаметры увеличиваются от краёв к середине сечения (рис. 2,б);
• Седлообразность — отклонение профиля, при котором образующие непрямолинейны, а диаметры уменьшаются от краёв к середине сечения (рис. 2,в).

Рисунок 2. Отклонения профиля продольного сечения

Рисунок 3. Отклонения расположения

Отклонения расположения характеризуется отклонением реального расположения поверхностей (осей) от их номинального расположения:

• Торцовое биение – разность D наибольшего и наименьшего расстояний от точек реальной торцовой поверхности, до плоскости, перпендикулярной базовой оси вращения (рис. 3,а);
• Радиальное биение – разность наибольшего и наименьшего расстояний от точек реальной поверхности до базовой оси вращения в сечении, перпендикулярном этой оси;
• Неперпендикулярность осей или оси и плоскости – расстояние D (Рис. 3,в) между осями или осью и плоскостью на заданной длине; Например: =0,025 мм на 100 мм длины.
• Непараллельность оси вращения и плоскости – разность А-В наибольшего и наименьшего расстояний между осью и прилегающей плоскостью на заданной длине (Рис. 3,г);
• Несоосность – наибольшее расстояние D (Рис. 3,е) между осью рассматриваемой поверхности и осью базовой поверхности на всей длине рассматриваемой поверхности или расстояние между этими осями в заданном сечении.

Факторы, определяющие точность обработки

Погрешность обработки — Отклонение параметров реальных поверхностей детали от заданных на чертеже ещё называется погрешностью. В результате несоответствия действительных движений заготовки и инструмента движениям, предусмотренным кинематической схемой станка, возникает погрешность обработки.

В состав погрешности обработки входят:

• погрешность работы станка, возникающая вследствие неточности кинематической схемы станка и его отдельных узлов;
• погрешность настройки, возникающая от неправильности взаимного расположения инструмента и заготовки, а также от неточности регулировки упоров и остановов.

Погрешность настройки складывается из:

• неточности настройки режущего инструмента;
• износа режущего инструмента;
• упругих деформаций технологической системы станок—приспособление—инструмент—деталь (СПИД);
• температурных деформаций узлов станка, обрабатываемой заготовки и режущего инструмента.

Рисунок 4.

Точность настройки станка и режущего инструмента

При смещении резца на размер а вверх-вниз относительно оси станка (рис. 4) диаметр D заготовки увеличивается.

Биение вращающихся центров станка приводит к биению обрабатываемых поверхностей заготовки относительно оси центральных отверстий. При перестановке обработанной заготовки на другой станок с другим биением центров может возникнуть отклонение от соосности у заготовок, обрабатываемых в разных условиях.

Жёсткость технологической системы

Жёсткостью технологической системы называют отношение радиальной силы резания Py, направленной перпендикулярно обрабатываемой поверхности, к смещению y режущей кромки инструмента относительно обрабатываемой поверхности заготовки в том же направлении:

Под влиянием силы резания возникает упругая деформация элементов технологической системы СПИД (изгиб и сжатие резца, изгиб заготовки и т.п.). Если бы под действием сил резания заготовка и инструмент не деформировались, то обработанная поверхность имела бы форму цилиндра диаметром d (рис.5).

Однако, в результате упругих деформаций резца и заготовки диаметр обработанной поверхности будет отличаться от заданного на величину погрешности — . Эта погрешность тем больше, чем больше величины сил , чем больше вылет резца. В различных точках обрабатываемой поверхности жёсткость технологической системы различна. Например, при консольном закреплении в 3-х кулачковом патроне жёсткость детали будет уменьшаться по мере удаления от патрона. Следовательно, при обработке с продольной подачей стрелка прогиба детали от действия сил резания будет изменяться по длине обработанной поверхности, и мы получим погрешность формы детали — конус вместо цилиндра (см. рис. 6).

Деформации режущего инструмента, зависящие от величины его вылета из резцедержателя, особенно сказываются при растачивании глубоких отверстий (рис. 8).

Повышение жёсткости технологической системы — непременное условие применения высокопроизводительных режимов резания и повышения точности обработки.

Влияние на точность обработки температуры и других факторов

В процессе резания звенья технологической системы нагреваются, что приводит к возникновению температурных погрешностей. Так, вследствие нагрева инструмента удлиняется его режущая часть, что приводит к возникновению погрешности формы и размеров при обработке длинных поверхностей.

Выделение тепла при резании приводит к нагреву обрабатываемой заготовки, причём — чем длиннее заготовка, тем неравномернее она нагревается. Следовательно, изменяется её форма и размеры, что вносит дополнительную погрешность обработки.

Температура нагрева обрабатываемой заготовки зависит от количества теплоты, поступающей в заготовку, которая в свою очередь зависит от массы заготовки, теплоёмкости её материала, режима резания. Чем больше масса заготовки, тем меньше она подвержена температурным деформациям.

При работе станка выделяется теплота из-за трения в узлах и подшипниках, вследствие чего нагреваются детали станка и его механизмы. У токарно-винторезного станка главным образом нагревается передняя бабка. Задняя бабка, суппорт и станина нагреваются незначительно. Ввиду больших масс частей станка происходят медленные температурные деформации, которые незначительно влияют на точность обработки.

Большое влияние на точность обработки оказывает размерный износ режущего инструмента в направлении нормали к обрабатываемой поверхности. Величина износа зависит от пути, пройденного резцом за период его стойкости, т.е. пути резания:
[м], где скорость резания, м/мин.

Характеристикой интенсивности размерного износа является относительный износ (мкм), т.е. размерный износ приходящийся на 1000 м пути резания:

Рисунок 9.

Рисунок 10.

Относительный износ имеет сложную зависимость от скорости резания (см. рис. 9). В зоне низких скоростей (50 м/мин) он довольно велик; при возрастании скорости резания он уменьшается, достигая минимума при оптимальном значении . Дальнейшее возрастание скорости резания приводит к увеличению относительного износа.

Зависимость скорости изнашивания от времени работы инструмента имеет следующий вид (см. рис. 10). В начале работы резец изнашивается значительно интенсивнее. Начальный износ можно учесть, прибавляя к пути резания длину .

Тогда размерный износ может быть определён по формуле:

Точность механической обработки. Качество поверхностей деталей.

Точность любого изделия определяется точностью составляющих его элементов, т. е. деталей.

Точность обработки – степень соответствия реального размера размеру, указанному на чертеже детали.

Погрешность обработки – степень отклонения реального размера от размера, указанного на чертеже детали. Как известно, изготовить деталь абсолютно точно невозможно.

Точность размера зависит от многих факторов и определяется отклонениями действительных размеров Т_р, от правильной геометрической формы Т_ф, от требуемой точности расположения поверхностей Т_расп. Отклонения действительных размеров оцениваются квалитетами: 01, 0, 1, 2…18.

Погрешность формы (ГОСТ 2.308, ГОСТ 24643) оценивается отклонением от цилиндричности, отклонением от круглости, отклонением от формы в продольном сечении, отклонением от плоскостности, от прямолинейности.

Взаимное расположение поверхностейоценивается отклонением от соосности, отклонением от параллельности, биением радиальным или торцовым, отклонением от симметричности, отклонением от пересечения осей.

Допустимая величина погрешности зависит от размера детали и от точности ее изготовления и приводится в ГОСТах.

В производственных условиях при обработке деталей используется два метода достижения точности размеров: индивидуальный и автоматический.

Индивидуальный метод характерен для единичного производства. Возникающие погрешности зависят от исполнителя работы и его квалификации. Этот метод характерен для свободной ковки, когда размеры и форма поковки выдерживается путем пробных промеров в процессе ковки. Тоже наблюдается при литье в земляные формы при ручной формовке. К этому методу относится сборка методом индивидуальной подгонки соединяемых деталей машин. При механической обработке заготовок индивидуальным методом размеры получаются на ненастроенных станках путем пробных замеров и рабочих ходов.

Одним из параметров, обеспечивающих высокое качество и надежность машин, является точность их изготовления. Точность изготовления деталей – это степень соответствия ее параметров параметрам, заданным конструктором в рабочем чертеже детали. Соответствие реальной и заданной конструктором деталей определяется следующими факторами: определяемым шероховатостью и физико-механическими свойствами (материалом, термообработкой)

Точность характеризует наряду с геометрическими параметрами изделия и единообразие качественных показателей, таких как мощность, производительность, КПД и др. Более точно изготовленные машины имеют более узкое поле разброса этих показателей и более высокие эксплуатационные качества. Точность изготовления детали зависит от комплекса технологических процессов, применяемых в данном производстве. Всякий технологический процесс изготовления детали неизбежно вносит те или иные погрешности, поэтому получить абсолютно точную деталь практически невозможно. Повышение точности изготовления первичных заготовок позволяет снизить припуски на обработку, что определяет структуру процесса обработки, снижает его стоимость и объем сборочных работ. Часть размеров детали должна быть выполнена с гарантированной точностью (в пределах заданных допусков), а остальные размеры выполняют без заданных чертежом пределов отклонений. При изготовлении таких деталей на «свободные размеры» устанавливают технологические допуски. Точность размера определяется точностью установки режущего инструмента на размер (настройкой), длиной проходов и размерами самого инструмента (мерного или профильного).

Точность взаимного расположения поверхностей определяется различными факторами технологического процесса. При обработке детали в несколько операции точность взаимного расположения поверхностей зависит от ошибок установки этой детали на различных операциях. При обработке деталей сложной формы можно одновременно обработать все поверхности одним фасонным инструментом, в этом случае точность взаимного расположения поверхностей определяется точностью инструмента. Точность формы детали имеет важное значение при работе сопряженных поверхностей. Поэтому при изготовлении точных деталей допустимое отклонение формы задается в более жестких пределах, чем точность размера. Пределы отклонения формы для плоских и цилиндрических поверхностей установлены ГОСТом. Точность формы поверхности, как правило, выше точности взаимного расположения поверхностей, а эта точность выше точности размеров, связывающих поверхности.

На точность обработки влияют следующие факторы:

1. неточность и износ станка

2. неточность и износ приспособлений и инструментов

3. погрешность установки детали на станке

4. нежесткость системы СПИД (станок-приспособление-инструмент-деталь)

5. температурные деформации

6. остаточные напряжения обрабатываемой детали

7. копирование погрешностей предшествующей обработки

8. неточность средств и методов измерения

В машиностроении оказалось удобным характеризовать точность обработки четырьмя показателями: 1) точностью формы; 2) точностью размеров; 3) точностью взаимного расположения поверхностей детали; 4) шероховатостью поверхности.

Характеристика точности обработки по таким показателям является не совсем строгой, поскольку форма, размеры и относительное расположение поверхностей неотделимы друг от друга. Однако она принята потому, что на практике по этим показателям удобно осуществлять контроль точности обработки.

От точности обработки деталей зависит качество машины: чем выше точность, тем долговечнее и надежнее машина. С усложнением конструкций современных машин и увеличением интенсивности нагрузки непрерывно повышаются требования к точности обработки их деталей. Но чем выше точность, тем сложнее технологический процесс изготовления деталей и тем больше затраты труда на изготовление. Таким образом, точность обработки деталей в машиностроительной промышленности имеет огромное экономическое значение, обусловливающее необходимость повышения производительности труда при одновременном увеличении степени точности обработки. Для решения этой задачи необходимо выявить, какими причинами вызываются отклонения в точности обработки, и затем разработать рациональные методы устранения или уменьшения их влияния.

Понятие точности обработки тесно связано с понятием о погрешности обработки. Исследования показали, что на образование погрешности влияют многие причины. В большинстве случаев в процессе резания они возникают одновременно, определяя суммарную погрешность обработки.

Качество поверхности детали заметно влияет на износостойкость, усталостную прочность, коррозионную стойкость, на величины зазоров и натягов сопряжений. Качество поверхности зависит от структуры поверхностного слоя, твердости, глубины упрочнения поверхности и метода упрочнения, от шероховатости, волнистости и ряда других физических и геометрических параметров, характеризующих поверхность детали. Специальные технологические процессы повышают поверхностную твердость и обеспечивают необходимую структуру поверхностного слоя, удовлетворяющую эксплуатационным требованиям. Износостойкость углеродистых сталей зависит от поверхностной твердости, которая также возрастает по мере роста содержания углерода в стали. Эти обстоятельства необходимо учитывать при восстановлении деталей на эксплуатационных предприятиях, так как отступления в достижении необходимой ловерхностной твердости при восстановлении деталей снижают их долговечность и износостойкость. Чистота поверхности (шероховатость) заметно влияет иа работоспособность сопряжения. Общая площадь поверхности касания деталей в сопряжении по данным некоторых исследований в 10 раз меньше номинальной из-за шероховатости поверхности. Уровень шероховатости механически обработанной поверхности зависит от скорости резания, от подачи инструмента, от правильности заточки и материала режущего инструмента, от материала детали и технического состояния металлообрабатывающего оборудования, от технологического приема обработки и квалификации рабочего и т. д.

Качество поверхности характеризуется физико-механическими и геометрическими свойствами поверхностного слоя детали. К фи­зико-механическим свойствам относятся структура поверхностного слоя, твердость (микротвердость), степень и глубина наклепа, остаточные напряжения.

Геометрическими свойствами являются шероховатость и направ­ление неровностей поверхности, погрешности формы (конусность, овальность и др.). Качество поверхности оказывает влияние на все эксплуатационные свойства деталей машин: износостойкость, уста­лостную прочность, прочность неподвижных посадок, коррозионную стойкость и др. Целенаправленное формирование качества поверх­ности при изготовлении и восстановлении изношенных деталей имеет огромное значение для обеспечения долговечности и надеж­ности автомобилей.

Из геометрических свойств наибольшее влияние на точность механической обработки и эксплуатационные свойства деталей оказывает шероховатость поверхности.

Шероховатость поверхности — совокупность не­ровностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине.

Базовая длина — длина базовой линии, используемая для выделения неровностей, характеризующих шероховатость по­верхности, и для количественного определения ее параметров. Шероховатость характеризует микрогеометрию поверхности. По грешности формы (овальность, конусность, бочкообразность, кор-сетность) характеризуют макрогеометрию поверхности.

Шероховатость поверхности деталей различных машин оцейи-нается по ГОСТ 2789—73. ГОСТом установлено 14 классов шеро­ховатости; классы от 6 по 14 разделяются еще ла разряды, по три разряда а, б, в в каждом. Разряды применяют при необходимости и особо малой градации шероховатости поверхностей. Первому классу соответствует максимально шероховатая, а 14-му наиболее гладкая поверхность. Для количественной оценки шероховатости поверхности на базовой длине установлено шесть параметров

Методы оценки шероховатости и состояния поверхностного слоя

Оценка шероховатости поверхности производится сравнением с эталоном, шероховатость которого известна, и непосредственным измерением с помощью специальных приборов. При первом методе, широко применяемом в производстве, сравнение шероховатостей поверхности деталей и эталона ведут визуально при помощи лупы или микроскопа модели МС-49.

Для определения высоты микронеровностей применяют щуповые и оптические приборы. Щуповые приборы разделяются на профилометры и профилографы. Действие профилометра основано; на ощу­пывании микронеровностей поверхности иглой с радиусом закруг­ления 2—12 мкм и преобразования механических колебаний иглы в изменения напряжения электрического тока индуктивным мето­дом. Профилометрами определяется численное значение высоты микронеровностей по R_a в пределах 6—12-го классов шероховатости. К числу этих приборов относятся профилометры В. М. Киселева КВ-7М, В. С. Чамана ПЧ-3 и др.

Для отражения на светочувствительной или специальной диа­граммной бумаге микропрофиля поверхности в увеличенном мас­штабе применяются профилографы. Заводом «Калибр» выпускается профилограф-профилометр «Калибр-ВЭИ», позволяющий оценивать шероховатость 6—14-го классов. Прибор снабжен устройством для записи профилограмм и позволяет определять высоту микронеров­ностей по R_a, как и в профилометре КВ-7М. Колебания алмазной иглы прибора преобразуются индуктивным методом в изменения напряжения электрического тока. К оптическим приборам для изме­рения шероховатости поверхности 3—9-го классов в лабораторных условиях относится двойной микроскоп МИС-11 конструкции акад. В. П. Линника. Для оценки шероховатости 10—14-го классов применяются интерференционные микроскопы МИИ-1 и МИИ-5 и др. Действие приборов основано на интерференции света. Для опре­деления высоты микронеровностей в труднодоступных местах при­меняют метод слепков, заключающийся в том, что на исследуемую.поверхность наносят пластические материалы (пластмассу, желатин, воск и др.) и по полученному отпечатку судят о степени шерохова­тости поверхности. Шероховатость поверхности и точность зависят от способов механической обработки, а при одном и том же способе — от режимов обработки (скорость резания и подачи), свойств и струк­туры обрабатываемого материала, вибрации инструмента и детали в процессе обработки, жесткости системы СПИД и др. Помимо шероховатости на качество поверхности оказывает влияние структура металла поверхностного слоя детали. В процессе обработки под вли­янием высокого давления инструмента и высокого нагрева структура поверхностного слоя изменяется и существенно отличается от струк­туры основного металла. Поверхностный слой получает повышенную твердость вследствие наклепа, и в нем возникают внутренние напря­жения. Глубина и степень наклепа зависят от свойств металла де­талей, способов и режимов обработки. Малоуглеродистые стали Л другие пластичные и вязкие металлы, склонные к пластической деформации, подвергаются большему наклепу, чем высокоуглеро­дистые и легированные стали ‘ с высокой твердостью. При очень тонкой обработке глубина наклепа составляет 1—2 мкм, при грубой доходит до сотен микрон [12]. Для определения степени и глубины наклепа применяются рентгеноструктурные методы, метод косых срезов, послойное химическое стравливание. Наиболее простым является метод косых срезов, заключающийся в том, что часть обработанной поверхности об­разца срезают под очень неболь­шим углом (1—2°30’) притира­нием на плите (рис. 13) и замеряют микротвердость при помощи прибора ПМТ-3. Накле­панный слой кончается, если микротвердость перестает изменяться (точка Б).Зная длину l косого среза и угол среза а, можно определить глубину наклепа h = l sin a.

При химическом стравливании производят периодическое изме­рение микротвердости постепенно удаляемых поверхностных слоев до выявления микротвердости основного металла. Стравливание стали производят в царской водке (смесь серной и соляной кислот), а цветных металлов — в едких щелочах.

Методами рентгеноструктурного анализа глубина наклепа опре­деляется с помощью рентгенограмм, снимаемых с поверхностных слоев, последовательно стравливаемых на глубину 5—10 мкм.

После механической обработки в поверхностном слое возникают внутренние напряжения, величина и знак которых зависят от спо­собов и режимов обработки.

Внутренние напряжения возникают под совместным дейстбием силовых и тепловых факторов. Силовые факторы (пластические деформации) вызывают образование сжимающих напряжений, теп­ловые — растягивающих. Как будет показано в дальнейшем, различные параметры качества поверхности, в том числе и внутрен­ние напряжения, оказывают большое влияние на эксплуатационные свойства особенно деталей, восстанавливаемых различными спосо­бами. Поэтому важное значение имеет выбор видов и режимов чистовой механической обработки, которые давали бы минимальное давление инструмента и минимальное повышение температуры при одновременном соблюдении требуемой шероховатости поверх­ности.

При тонкой абразивной обработке — хонинговании, притирании и полировании — в поверхностном слое создаются преимущественно сжимающие напряжения, в то время как при шлифовании, особенно при грубых режимах, под влиянием теплового фактора внутренние напряжения при отсутствии фазовых превращений почти всегда растягивающие [12]. Фазовые превращения в металле могут быть причиной изменения знака напряжений, поскольку они вызывают образование сжимающих напряжений.